Expérience "tension-superficielle"

Expérience "tension-superficielle"

Introduction

Expérience 1

Enfant, j'avais découvert le phénomène de tension superficielle grâce à une boîte basique de magie.

Il faut en effet savoir qu'il n'a pas échappé aux magiciens que certains phénomènes physiques peuvent être exploités pour étonner les gens. Le mieux est de se servir de sciences principes physiques même communs mais qui défient le sens commun justement !

Avant de commencer, vous pouvez admirer cette magnifique image d'un trombone flottant sur l'eau (ici). Maintenant, passons à l'expérience proprement dite ; vous aurez besoin du matériel très simple qui suit.

Matériel

• Un verre d'eau
• Un fil de fer plat

Il s'agit de celui qui ferme les emballages plastiques ; vous pouvez utiliser aussi une lame de rasoir plate, une aiguille (pas trop propre ni lourde) et même un trombone.

Méthode

(Cliquer sur l'image pour voir la vidéo)

Dans le cas de notre essai, on a pris le fil de fer plat gainé. Il suffit de le déposer délicatement à la surface de l'eau et il flotte en surface. Si vous vous y prenez trop nerveusement, il coule.

Ce que l'on montre ensuite sur notre vidéo est que l'on peut très bien baisser la tension superficielle de l'eau qui est à l'origine très élevée. Il suffit pour cela de rajouter du savon liquide. On voit rapidement que le fil coule. L'inconvénient est que celui que j'ai utilisé est plutôt dense et lourd et à tendance à partir dans le fond sans affecter la surface. Néanmoins, cela fonctionne et la tension superficielle s'effondre en effet, faisant couler le fil de fer.

La vidéo US ci-dessus permet de voir des expériences similaires. On peut y voir la tension superficielle d'un film de savon, comment le savon agrandit une boucle de fil et comment le camphre (qui remplace le savon liquide dans l'expérience US car il "pollue" moins l'eau et la démo peut ainsi durer plus longtemps) fait avancer un bateau par simple modification de la tension superficielle.

Explications

Pourquoi l'objet peut-il flotter ?
Sans rentrer dans trop de détails ici, il faut savoir que l'eau a une tension superficielle très élevée (il y a mieux cependant : le mercure a une tension superficielle plus de 6 fois supérieure !).
De quoi s'agit-il brièvement ?

A la surface, les molécules d'eau n'ont pas de molécules congénères vers le haut et adhèrent ainsi plus fortement aux congénères latéraux qui sont directement associées à la surface. Cela provoque l'apparition d'un film "tendu" ou qui tend à se contracter. Ce qui fait qu'il est plus difficile de mouvoir un objet à la surface qu'en profondeur…

Il faut ainsi savoir que c'est à cause de cela que l'huile et l'eau ne se mélange pas d'ailleurs.

Pourquoi rajouter du savon annule l'effet de flottaison ?

En fait, la fonction du savon en général (liquide ou solide ou en poudre) est de détacher le gras de la surface des corps (que ce soit votre corps ou des vêtements etc.).

Mais comment fait-il cela ?



Justement, il fait deux choses : d'une part, il s'accroche aux particules de gras et d'autre part, il baisse la tension superficielle de l'eau. il peut le faire car ses molécules comportent deux extrémités au comportements opposés : d'un côté la partie est hydrophile (aime l'eau) et de l'autre hydrophobe (n'aime pas l'eau et le nom technique des détergents est "surfactant" ou "tensio-actifs").

La partie hydrophile permet à la partie acide du savon de s'accrocher avec d'autres parties hydrophobes comme la graisse sur la surface à nettoyer. Le gras est ainsi détaché et "enrobé" dans des suspensions (nommées "micelles") de savon dans l'eau.

Si vous souhaitez davantage de détails sur le sujet, un site web parle des bulles de savon .

Expérience 2 

Une manip qui évoque la pression contenue dans une goutte ou bulle est souvent contre-intuitive. Il s'agit de celle consistant à "mettre en relation" 2 bulles de tailles différentes. C'est-à-dire que le tube est initialement fermé par une vanne. On gonfle alors les 2 bulles aux deux extrémités puis on ouvre la vanne. On se demande alors :

Est-ce que c'est la petite va manger la grosse ou l'inverse ou rien ne se passe ?

(Cliquer sur l'image pour voir la vidéo)

Il s'avère (c'est la fameuse "Loi de Laplace") que la pression contenue dans une bulle est inversement proportionnelle au rayon de cette dernière : la grosse bulle absorbe donc la petite. La vidéo ci-contre réalisée à l' IMFT illustre le phénomène.

Expérience 3 

On peut réaliser d'autres expériences fort étonnantes sur ce principe de tension superficielle de l'eau.

Celui-ci est précisemment une amélioration d'une autre expérience sur la pression de l'air que l'on décrit dans la section précédente (là on rajoute la capillarité) et est présenté comme un tour de magie.

Matériel

• Une bouteille (transparente si possible)
• Une grille, Espacement entre carrés de la grille = 2mm environ
• Un outil pour percer la bouteille, Cet outil dépend du matériau de la bouteille.

Méthode

(Cliquer sur l'image pour voir la vidéo)

Faites un trou en bas, sur le côté de la bouteille. Découper un morceau de grille qui puisse s'adapter sur le goulot. Collez enfin la grille sur le goulot. C'est bon, le matos est OK.

Remplissez la bouteille en collant votre doigt sur le trou (je n'ai pas pu bien le faire sur la vidéo car je tenais l'appareil). Prenez la bouteille et renversez là. Un peu d'eau peut s'échapper si la bouteille n'est pas entièrement pleine. Ensuite, selon que vous libérez de l'air ou pas en décollant votre doigt du trou, vous pouvez très bien faire couler l'eau à volonté.

Ce tour de physique-magie est bluffant, non ?

Vous pouvez ci-dessus une vidéo US qui fait à peu de choses près la même chose.

Complément

Indiquons que la Nature se sert souvent des propriétés de mouillage et de tension superficielle. L'exemple le plus connu est que certains insectes utilisent la tension superficielle afin de marcher sur l'eau.

Avant de terminer, prenons une dernière petite expérience de physique est d'observer qu'un bouchon de liège dans un récipient rempli en partie d'eau, va irrémédiablement se mettre à coller à la paroi.

Pourquoi ?

En raison de la tension superficielle de l'eau, il se produit un ménisque négatif (la surface a une courbure concave) : du coup, les forces en présence ramène le bouchon vers le bord. La colle est de demander à l'assistance.

Comment faire pour que le bouchon flotte au centre au contraire ?

Si l'on inverse le ménisque en courbure positive, le bouchon serait alors repoussé au centre inversement. Pour y arriver, il suffit de remplir complètement le récipient. Une condition opératoire importante est que le support du récipient soit vraiment horizontal.